《发酵工程》第7章 发酵的中间控制

第七章发酵的中间控制学时:教学内容：61.温度控制2.pH控制4.泡沫控制5.补料控制3.溶氧控制6.发酵终点的判断发酵过程的主要控制参数•⑴温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶段所维持的温度亦不同。•⑵pH值：显示发酵过程中各种生化反应的综合结果。•⑶溶氧浓度（DO值，简称溶氧）：一般用绝对含量(mg／L)来表示，有时也用在相同条件下氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。•⑷基质含量：定时测定糖(还原糖和总糖)、氮(氨基氮或铵氮)等基质的浓度。•⑸空气流量：每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，也叫通风比。一般控制在0.5～1.0L／(L·min)。•⑹压力：罐压一般维持在0.02～0.05MPa。•⑺搅拌转速：控制搅拌转速以调节溶氧。以每分钟的转数表示。•⑻搅拌功率：常指每立方米发酵液所消耗的功率(kW／m3)。•⑼黏度：细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况，通常用表观黏度表示之。•⑽浊度：澄清培养液中低浓度非丝状菌的OD值与细胞浓度成线性关系。一般采用分光光度计的波长420～660nm测量，要求吸光率0.3～0.5。波长600～700nm间，一个吸光率单位大约相当于1.5g细胞干重／L。浊度对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。•(11)料液流量•(12)产物的浓度：•(13)氧化还原电位：限氧条件发酵用氧化还原电位参数控制则较理想。•(14)废气中的氧含量：从废气中的氧和CO2的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸熵和发酵罐的供氧能力。•(15)废气中的CO2含量：揭示产生菌的呼吸代谢规律。•(16)菌丝形态：衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期长短的依据之一。•(17)菌体浓度：是控制微生物发酵的重要参数之一，特别是对抗生素次级代谢产物的发酵。常根据菌浓来决定适合的补料量和供氧量。由以上参数计算得出的菌体生长比速、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和产物比生成速率也是控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件的主要依据，多用于发酵动力学的研究。第一节温度控制发酵过程中，伴随着细胞的生长代谢、机械搅拌会产生一定的热量，而由于发酵罐壁散热和水分蒸发，又会带走部分热量，因此，发酵罐的温度是不断变化的，必须加以控制，才能满足微生物生长代谢的需要，从而达到高效生产的目的。一.发酵热及其测定二.温度对微生物生长的影响三.温度对发酵的影响四.最适温度的控制一.发酵热及其测定微生物在发酵过程中，由于生物氧化作用和机械搅拌作用等产生的热量，称为发酵热。1.发酵热发酵罐温的变化主要受以下几个因素的影响。生物热搅拌热蒸发热辐射热Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射则:产热散热净热量堆积发酵液的温度上升；相反，产热小于耗热，温度下降。（1）生物热（Q生物）在微生物生长代谢过程中，由于生物氧化作用而释放出的热量称为生物热。营养物氧化分解释放出的能量，部分用于合成高能化合物，并被消耗在各种代谢途径中，如合成新细胞组分，膜运输，鞭毛运动，合成代谢产物等，其余部分则以热的形式散发出来。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。产热的情况：生物氧化的途径2HCO2ATPADP+PiO2H2O乙酰CoACoASH葡萄糖甘油、脂肪酸氨基酸糖原脂肪蛋白质三羧酸循环第一阶段第二阶段第三阶段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液线粒体以真核生物细胞为例具有时间性。发酵初期对数生长期发酵后期如四环素发酵的发酵热最大是在20~50h,最高可达29330KJ/(m3.h)，其它时段最低约为8380生物特异性。如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，与营养有关。培养基成分愈丰富，营养被利用速度愈快，产生的生物热就愈多。（2）搅拌热（Q搅拌）机械搅拌通气发酵罐，发酵液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：Q搅拌=P·3601（kJ/h）式中:P为搅拌功率，（kW）3601是机械能转变为热能的热功当量，[kJ/(kW·h)]（3）蒸发热（Q蒸发）通气时，引起发酵液水分的蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量叫做蒸发热或汽化热。蒸发热可按下式计算：Q蒸发=qm(H出-H进)式中:qm为干空气的重量流量，（kg空气/h）H出、H进为发酵罐排气和进气的热焓，（kJ/kg干空气）散热的情况：（4）辐射热（Q辐射）通过罐体表面向环境中发射红外线而散失的热量。热量的大小决定于罐内外温度差大小、罐的表面积等。辐射热的大小，取决于罐内外温差的大小。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％。在发酵过程中，Q生物和Q蒸发随时间而变化，因此，发酵热在整个发酵过程中，也随着时间而变化。为了使发酵维持在适当的温度下进行，必须采取一定的保温措施：在夹套或蛇形管内通入冷热水来控制发酵罐的温度。2.发酵热的测定三种测算方法：（1）利用热交换原理：通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口的温度，用下式计算：如果需要求生物热时：Q发酵=qvC(t2-t1)/Vqv为冷却水的流量，（L/h）C为水的比热，[kJ/（kg·℃）]t1、t2为进、出的冷却水温度，（℃）V为发酵罐体积，（m3）式中:Q生物=Q发酵-Q搅拌+Q蒸发+Q辐射（2）利用温度变化率S（℃/h）：通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，按下式求出发酵热：经实测，抗生素发酵的最大发酵热均为3000~50000kJ／(m3·h)；谷氨酸发酵的最大发酵热约为7000~8000kJ／(m3·h)。Q发酵=（m1c1+m2c2）u式中:m1、m2为发酵液、罐的质量，（kg）c1为发酵液的比热，[kJ/（kg·℃）]C2为发酵罐材料的比热，[kJ/（kg·℃）]u为温度上升速率，（℃／h）（3）热力学方法：根据盖斯定律：“在恒压和恒容条件下，一个反应不论是一步完成或几步完成，其反应热是相同的”。这实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓（H）是状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计算。H=∑(H)反应物-∑(H)产物二.温度对微生物生长的影响最低、最适和最高生长温度。温度影响微生物生长的机理(1)影响酶活性。(2)影响细胞膜的流动性。(3)影响物质的溶解度。从最低生长温度到最适生长温度，通常温度每升高10℃，生长速度就加快一倍。•在微生物培养过程中，生长速率的变化可描述为：dtdXX1上式表明：实际比生长速率是生长与死亡速率平衡的综合反映。•μ、α均与温度有关，其关系可由Arrchnius公式来描述：RTEaRTEaeAAe11葡萄糖过量的培养基上温度对大肠杆菌生长比速的影响◇(1)影响产物生成速度◇(2)影响发酵液性质◇(3)影响产物种类a.改变体内酶系→中间产物种类→产物种类;b.使代谢比例失调；◇(4)影响产物特性三.温度对发酵的影响•影响合成方向：用米曲霉制曲时，如温度在低限时，得到蛋白酶，此时α-淀粉酶的合成受到抑制。金色链霉菌在低于30C时合成链霉素，温度到达35C时，只产四环素•影响产物生成量：黑曲霉生长最适温度33-37C，积累柠檬酸的最适温度在32C•影响产物质量：凝结芽孢杆菌合成α-淀粉酶时，发酵温度控制在55℃时，合成的α-淀粉酶较耐高温，在90℃、60min条件下，其活性丧失仅10％左右，而发酵温度控制在35℃时，合成的α-淀粉酶在相同条件下丧失90％。青霉素产生菌的生长温度为30℃，产青霉素最适温度为25℃；乳酸链球菌最适生长温度34℃，而发酵产乳酸最适不超过30℃谷氨酸产生菌的生长最适温度30~32℃，产生谷氨酸的温度一般比生长温度高，约为34~37℃。同一种生产菌，菌体生长和积累代谢产物的最适温度也往往不同。温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的120C～300C多数发酵情况是：接种后的发酵液温度会下降，应适当提高培养温度以利于孢子萌发或加速菌体生长；当发酵液温度上升后，应控制在菌体的最适生长温度；到主发酵旺盛阶段，温度应控制在代谢产物合成的最适温度；到发酵后期，温度出现下降趋势，直至发酵成熟即可放罐。四.最适温度的控制在整个发酵过程中不能只选一个最适培养温度，最适于菌体生长的温度不一定最适于发酵产物的生成看生长和生物合成哪一个是主要方面。▲前期:菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；▲中期:菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。▲后期:产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。温度的选择还要参考其他发酵条件。通气条件较差可适当降低温度。这是由于在较低的温度下，氧溶解度相应较大，而菌体的生长速率相应较小，从而弥补了因通气不足而造成代谢异常。培养基稀薄时,适应采用较低温度，培养温度高则养料往往过早耗竭，菌丝过早自溶。例如，提高红霉素发酵温度在玉米浆培养基中的效果就不如在黄豆粉培养基中好，因后者相对难利用，这时提高温度则有利于菌的同化。☆各个发酵阶段的最适温度的选择应从各方面综合考虑。又：青霉素发酵：最初5h维持在30℃，6~35h为25℃，36~85h为20℃，最后40h再升到25℃。采用这种变温培养比25℃恒温培养所得青霉素产量高14.7％。eg:在四环素发酵中，采用变温控制，中后期保持较的温度，以延长抗生素分泌期，放罐前24h提高2~3℃。能使最后24h的发酵单位提高50%以上。第二节PH值控制一.PH值对菌体生长和代谢产物形成的影响二.影响PH值变化的因素三.发酵过程PH值的调节及控制不仅影响微生物的生长，而且也影响着代谢产物的形成。主要影响：（1）导致微生物细胞原生质膜的电荷发生改变。（3）影响培养基某些重要的营养物质和中间代谢产物的解离，进而影响该物质的利用。（2）影响酶的活性。一.PH值对菌体生长和代谢产物形成的影响此外：⑷pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。⑸影响氧的溶解和氧化还原电势的高低；⑹pH值影响孢子发芽；举例：•影响菌体的生长：产黄曲霉的细胞壁的厚度就随pH值的增加而减小：其菌丝直径在pH6.0时为2～3μm；pH7.4时为2～18μm，并呈膨胀酵母状；pH值下降后菌丝形态又会恢复正常。•影响产物合成：合成青霉素的最适pH值范围为6.5～6.8。•影响产物稳定性：β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.7～7.5之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围，合成受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳定性未受到严重影响；但pH7.5时，稳定性下降，半衰期缩短，发酵单位也下降。青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳定性有关。★不同种类的微生物，对pH要求不同；酵母：pH3.8－6.0细菌：pH6.5－7.5霉菌：pH4.0－5.8放线菌：pH6.5－8.0★同种微生物对pH变化的反映不同。•如，石油代蜡酵母pH3.5－5.0生长良好，不易染菌；pH5.0时，易染细菌；pH3.0时，生长受抑制，大小不均，易自溶；★pH不同，微生物代谢产物不同。黑曲霉pH：2－3，柠檬酸发酵pH：7.0，草酸发酵谷氨酸菌pH：7－8，GA发酵pH：5.0－5.8，谷氨酰胺发酵酿酒酵母pH：4.5-5.0－3，乙醇发酵pH：8.0，甘油发酵pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响生长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小例青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适pH7.2~7.4四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适pH5.8~6.0XpH丙酮丁醇菌生长：pH5.5－7.0;发酵：pH4.3-5.3;链霉素菌生长：pH6.3-6.9发酵：pH6.7-7.3青霉素菌生长：pH6.5-7.2发酵：pH6.2-6.8微生物生长和发酵的最适pH值往往是不同的二.影响pH值变化